楊光

（中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 綿陽 621000）

0 引言

風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的部件之一，長期工作于高速、高負(fù)荷等惡劣工作環(huán)境，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用過程中極易產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致其發(fā)生斷裂，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。影響發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)度。為保障發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)安全，需要對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片表面質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行快速檢測(cè)，因此在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)風(fēng)扇葉片進(jìn)行無損檢測(cè)，成為了一項(xiàng)確保葉片表面質(zhì)量情況良好的重要技術(shù)手段。

渦流檢測(cè)速度快，無污染，對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求低，可檢測(cè)零件表面或近表面缺陷。同時(shí)，可根據(jù)待檢零件形狀及檢測(cè)空間將渦流傳感器設(shè)計(jì)成不同形狀以實(shí)現(xiàn)異形零件表面缺陷的檢測(cè)。因此，渦流檢測(cè)比較適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。

1 渦流傳感器設(shè)計(jì)原理

1.1 渦流檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)之上的一種無損檢測(cè)方法，通常由三部分組成，即載交變電流的檢測(cè)線圈、檢測(cè)電流的儀器和被檢的金屬工件。當(dāng)線圈流過高頻交變電流時(shí)會(huì)在其中產(chǎn)生同頻率的交變磁場(chǎng)，如果該磁場(chǎng)靠近金屬工件表面，則在工件中能感應(yīng)出同頻率的電流，簡稱為渦流。渦流的大小與金屬材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、幾何尺寸及其中的缺陷形態(tài)有關(guān)。渦流本身也會(huì)產(chǎn)生同頻率的磁場(chǎng)，其強(qiáng)度取決于渦流的大小，其方向與線圈電流磁場(chǎng)相反，它與線圈磁場(chǎng)疊加后形成線圈的交流阻抗。當(dāng)零件表面具有材質(zhì)異?；蛉毕輹r(shí)，就會(huì)引起零件表面的渦流磁場(chǎng)變化，從而引起線圈阻抗的變化。測(cè)量出該阻抗變化的幅值與相位即能間接地測(cè)量出工件表面與近表面材質(zhì)異?；蛉毕莩叽鏪1-2]。

1.2 渦流傳感器設(shè)計(jì)影響因素

圖1 渦流檢測(cè)原理示意圖

渦流傳感器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為線圈半徑、厚度和寬度，其主要影響線圈的線性范圍、重復(fù)性及靈敏度等參數(shù)。

首先對(duì)單匝載流圓導(dǎo)線在中心軸上的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析，根據(jù)畢奧—薩伐—拉普拉斯定律計(jì)算可得[3]：

公式（1）中

在激勵(lì)電流不變的情況下，分析各種半徑對(duì)曲線的影響，如圖2所示。從圖中可見，半徑小的載流圓導(dǎo)線，在接近圓導(dǎo)線處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大，而在遠(yuǎn)離圓導(dǎo)線處，則是半徑大的磁感應(yīng)強(qiáng)度大。

圖2 BP-x曲線

綜合分析，檢測(cè)線圈的檢測(cè)靈敏度會(huì)隨著檢測(cè)線圈半徑的減小而增加，但其線性范圍也會(huì)隨著線圈半徑的減小而減小。根據(jù)渦流檢測(cè)傳感器線圈的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般傳感器線圈的線性范圍一般取線圈直徑的1/3～1/5[4-5]，因此在線圈參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能提高檢測(cè)靈敏度的同時(shí)保證線圈的線性范圍能夠覆蓋缺陷的埋藏深度。

2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片渦流傳感器設(shè)計(jì)

2.1 渦流傳感器線圈設(shè)計(jì)

在渦流傳感器參數(shù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的葉片厚度、電導(dǎo)率來確定線圈半徑、厚度等參數(shù)。

根據(jù)1.2中的公式計(jì)算分析，檢測(cè)線圈的直徑與檢測(cè)深度的線性范圍有關(guān)，針對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片檢測(cè)要求，檢測(cè)缺陷等級(jí)為0.12mm，為保證檢測(cè)效果滿足驗(yàn)收等級(jí)要求，渦流的滲透深度應(yīng)達(dá)到0.2mm左右為宜，根據(jù)傳感器線圈的線性范圍一般取線圈外徑的1/3～1/5推算，線圈直徑宜取1mm。

同時(shí)，為提高渦流傳感器的檢測(cè)靈敏度，本次設(shè)計(jì)采用差動(dòng)式線圈結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)單獨(dú)的激勵(lì)線圈，圖3為渦流傳感器等效電路圖。由于線圈采用差動(dòng)式連接方式，當(dāng)被檢工件無表面缺陷時(shí)，兩個(gè)檢測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)互相抵消，檢測(cè)線圈將無信號(hào)產(chǎn)生，而當(dāng)零件表面存在缺陷時(shí)，由于兩個(gè)檢測(cè)線圈對(duì)于缺陷的不對(duì)稱性，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)無法完全抵消，從而檢測(cè)線圈將有信號(hào)產(chǎn)生。

圖3 渦流傳感器等效電路

為保證激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈的配合，建議線圈匝數(shù)比取1，而線圈的匝數(shù)由于受儀器內(nèi)部阻抗和繞線電阻的影響，一般通過試制確定。

以線圈直徑1mm進(jìn)行試制，采用0.07mm直徑的漆包銅線，線圈匝數(shù)取100匝.

線圈的性能評(píng)價(jià)一般通過線圈的品質(zhì)因數(shù)來進(jìn)行，線圈的品質(zhì)因數(shù)為感抗與等效電阻比，即為線圈的品質(zhì)因數(shù)，f為線圈頻率，L為線圈電感，R為線圈電阻）。線圈的品質(zhì)因數(shù)值越大（即損耗越?。?，諧振電路的頻率選擇性越強(qiáng)。針對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片使用檢測(cè)頻率為500kHz，因此通過表1中數(shù)據(jù)可以算出，激勵(lì)和檢測(cè)線圈的品質(zhì)因數(shù)均大于300，說明線圈的信號(hào)能量損失在可接受范圍內(nèi)，可以按照試制線圈的參數(shù)進(jìn)行探頭制作。

表1 渦流探頭結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)測(cè)值

2.2 渦流傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片與葉片間隙較小，葉片形狀厚度有變化。風(fēng)扇葉片在使用過程中易在葉片進(jìn)、排氣邊以及葉尖位置產(chǎn)生缺陷。因此，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片檢測(cè)區(qū)域如圖4所示。

圖4 風(fēng)扇葉片檢測(cè)區(qū)域

為保證探頭與葉片檢測(cè)區(qū)域有良好的耦合效果，根據(jù)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片待檢區(qū)域形狀，設(shè)計(jì)了3種外形的渦流探頭，分別用于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的葉尖和進(jìn)、排氣邊的檢測(cè)，其中1號(hào)探頭用于葉片葉尖的檢測(cè)，包含葉盆側(cè)和葉背側(cè)；2號(hào)探頭用于葉片進(jìn)氣邊葉盆側(cè)和排氣邊葉背側(cè)的檢測(cè)；3號(hào)探頭結(jié)構(gòu)與2號(hào)探頭鏡像對(duì)稱，用于葉片進(jìn)氣邊葉背側(cè)和排氣邊葉盆側(cè)的檢測(cè)。

本次探頭設(shè)計(jì)采用了半“凸”字型結(jié)構(gòu)，通過探頭“凸”字邊緣卡住葉片，避免探頭掃查過程中產(chǎn)生滑移，同時(shí)配備掃查桿，保證在對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢測(cè)時(shí)能夠?qū)⑻筋^伸入到葉片的葉根部位。

同時(shí)，在2號(hào)和3號(hào)探頭設(shè)計(jì)過程中，為保證檢查葉片根部過程中留有盡可能小的盲區(qū)，將線圈安裝孔設(shè)定在了探頭的頭部位置。而為保證能夠?qū)⑻筋^卡緊在葉片邊緣而不滑脫，探頭“凸”字邊緣高度不應(yīng)低于2mm。

最終制作探頭如圖5所示，通過試驗(yàn)，將探頭貼近風(fēng)扇葉片，滑動(dòng)平穩(wěn)，無抖動(dòng)，說明該結(jié)構(gòu)的探頭能夠滿足風(fēng)扇葉片的檢測(cè)需求。

圖5 渦流傳感器外形結(jié)構(gòu)

3 傳感器測(cè)試及分析

3.1 傳感器結(jié)果數(shù)據(jù)

通過渦流檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試樣對(duì)試制探頭進(jìn)行測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)試樣上分別刻有0.1mm、0.2mm、0.4mm深度的人工缺陷刻槽，將制作的渦流傳感器連接信號(hào)發(fā)生器，調(diào)激勵(lì)頻率為100kHz，其次將檢測(cè)線圈連接示波器，分別觀察激勵(lì)線圈在試樣無缺陷處、0.1 mm人工缺陷、0.2 mm人工缺陷、0.4 mm人工缺陷處的檢測(cè)波形圖。掃查結(jié)果如圖6，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2。

圖6 傳感器測(cè)試波形圖

表2 渦流檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)

對(duì)表2中的檢測(cè)的缺陷數(shù)據(jù)制作指數(shù)擬合響應(yīng)曲線。擬合曲線如圖7所示：

圖7 響應(yīng)曲線指數(shù)擬合

3.2 傳感器性能指標(biāo)評(píng)價(jià)

通過渦流檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)制作的渦流傳感器性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[10]。

（1）傳感器的靈敏度：到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)輸出變化量與引起次變化的輸入變化量之比。其計(jì)算方法為：根據(jù)圖8計(jì)算傳感器靈敏度為：K=10mv/mm。

（2）線性度：在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程（F·S）輸出值的百分比。

利用端基法獲得其擬合直線為：Y=10.3X+67

計(jì)算指數(shù)曲線與擬合直線的最大偏差為：

得到x=1.396時(shí)有 =1.161

線性度為（1.161/98）×100%=1.2%。

（3）重復(fù)性誤差：在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)變動(dòng)多次多得的特性曲線的不一致性。在數(shù)值上用各測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值的兩倍或三倍與滿量程的百分比表示。即

針對(duì)該傳感器：

所以：

新型渦流探頭性能指標(biāo)匯總?cè)绫?所示：

表4 新型渦流探頭性能指標(biāo)

測(cè)試結(jié)果表明：對(duì)新型渦流檢測(cè)傳感器進(jìn)行性能指標(biāo)計(jì)算，得到該新型渦流檢測(cè)傳感器的靈敏度為10 mv/mm，線性度為98.8%，重復(fù)性誤差為4%；

綜上所述，設(shè)計(jì)制作的某型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片渦流檢測(cè)傳感器性能指標(biāo)良好，具有足夠的檢測(cè)靈敏度和良好的線性度，重復(fù)性也較高，滿足檢測(cè)使用需求[6-7]。

3.3 傳感器使用效果評(píng)價(jià)

將本次設(shè)計(jì)制作的渦流傳感器與渦流檢測(cè)儀連接，利用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試頻率500kHz，增益58dB，掃查次數(shù)3次以上。圖8是探頭分別劃過0.1mm、0.2mm、0.4mm深度刻槽時(shí)的缺陷響應(yīng)，可以看出渦流傳感器能夠明顯分辨出三個(gè)不同深度的人工缺陷刻槽。說明該傳感器的靈敏度、線性度及重復(fù)性完全滿足風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的檢測(cè)需求[8]。

圖8 渦流檢測(cè)效果圖

4 結(jié)語

本文通過分析某型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片檢測(cè)要求及渦流檢測(cè)傳感器探頭尺寸、形狀、檢測(cè)頻率等影響因素，結(jié)合實(shí)際工況條件，開展了渦流檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)研究工作。設(shè)計(jì)了基于某型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片渦流檢測(cè)傳感器，傳感器性能參數(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證滿足檢測(cè)需求。解決了某型動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片表面缺陷現(xiàn)場(chǎng)渦流檢測(cè)難題，提高了檢測(cè)效率。